三軟煤層老空區(qū)煤柱巷道底鼓影響因素分析及支護形式研究

1老空區(qū)煤柱出煤柱的特點新煤礦位于徐徐州以東約22公里的賈王區(qū)大武，屬于天能集團。3304個街區(qū)是元旗山礦開采區(qū)的三個街區(qū)（兩側(cè)為60年代）之間的煤炭支柱。該工作面平均長937m，傾斜長18.92m。這是不規(guī)則的斜坡。煤層頂部和底部的巖石為深灰色和胡同巖石。工作面進、回風巷均緊貼老空區(qū)在煤柱中跟頂掘進,為沿空掘進巷道,形狀為梯形,頂寬1.9m,底寬3.2m,高2.0m,掘進斷面5.1m2,如圖1.炮掘工藝,循環(huán)進尺1.4m,每班兩循環(huán),日進尺8.4m.11#礦用工字鋼梯形棚支護,棚距700mm.2煤體側(cè)支架壓力根據(jù)關(guān)鍵層理論及采煤工作面上覆巖層的活動規(guī)律可知,關(guān)鍵頂板在煤柱內(nèi)斷裂形成側(cè)向砌體梁結(jié)構(gòu),即所謂的“大結(jié)構(gòu)”.大結(jié)構(gòu)下部的煤巖體處于應力降低區(qū),沿空巷道即布置在此應力降低區(qū)內(nèi).在該大結(jié)構(gòu)的兩側(cè),形成集中應力,如圖2.由于受原旗山礦掘進和開采活動的影響,該煤柱邊緣已進入塑性狀態(tài),穩(wěn)定性變差,承載能力降低.在本次采掘活動的影響下,煤體側(cè)的集中應力向深部遷移,并和掘進引起的應力疊加使應力集中程度進一步加大,由于頂?shù)装宓能泿r特性,使得在掘進過程中,巷道變形較大,底鼓強烈,為保證生產(chǎn)的正常進行不得不在掘進過程中進行反復清底.為此,對支架的受力及巷道移動變形情況進行了監(jiān)測.監(jiān)測結(jié)果表明:工字鋼頂梁、煤體側(cè)棚腿及采空側(cè)棚腿的最大壓力分別為10.4t,6.6t,5.6t;掘后15d為圍巖的活動期(測點距工作面約100m),此期間頂梁、兩幫棚腿的壓力變化比較劇烈;之后約15d為衰減期(測點距工作面約160m),此階段壓力逐步降低;之后進入穩(wěn)定期,頂梁、兩幫棚腿的壓力逐步趨于穩(wěn)定.頂梁壓力在4.5～5.5t之間,煤體側(cè)棚腿壓力在5t左右,采空側(cè)棚腿壓力在3.5t左右.巷道從掘進到受工作面超前移動支承壓力影響開始至頂?shù)装逡平繛榇蠹s1389.04mm(前45d為急變期,之后為緩變期),底鼓量為1025.91mm,頂板下沉量為363.39mm.考慮工作面超前壓力對頂?shù)装逡平挠绊?估計頂?shù)装宓囊平吭?689mm左右,底鼓量要比1025.91mm大一些.3表1中低價趨勢特征及影響因素分析3.1煤體側(cè)底板破壞模式通過對井下巷道底鼓的實際觀測及分析認為,3304工作面順槽巷道的底鼓屬于撓曲性底鼓.其破壞機理為:兩側(cè)的集中應力通過兩幫傳遞給底板巖層,由于一側(cè)為煤體,另一側(cè)為原開采所跨落的頂板巖石重新固結(jié)而成,煤體一側(cè)的應力集中較大,而采空一側(cè)較小.這樣底板巖層的撓曲變形及破壞就可能有兩種形式:一種是采空一側(cè)底板巖層由于承受的壓力較小,巖層不斷裂,煤體側(cè)底板巖層在集中應力的作用下斷裂,底板巖層在煤體側(cè)水平應力的作用下發(fā)生變形破壞,底板折曲斷裂的位置偏向采空側(cè):另一種形式是底板巖層在集中應力的作用下兩側(cè)全斷裂,底板巖層在兩側(cè)水平應力的作用下發(fā)生折曲破壞,斷裂位置在巷道的中部.3.2影響因素分析3.2.1巷道底板結(jié)構(gòu)沿空掘巷的底板多為泥巖和砂質(zhì)泥巖,主要產(chǎn)生兩種類型的底鼓:當?shù)装宄蓪訔l件較好,裂隙較少,破裂面沿層面較為發(fā)育時,形成撓曲性底鼓;當?shù)装鍘r體呈碎裂結(jié)構(gòu),垂直節(jié)理發(fā)育,則形成擠壓流動性底鼓.新莊煤礦3304工作面3#煤層的單向抗壓強度為13.67MPa;進風巷底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖,其單向抗壓強度分別為18.9MPa和25.47MPa,巖性較軟.在兩側(cè)集中應力的作用下,沿層面離層鼓起,鼓起變形到一定程度則發(fā)生折曲而斷裂.在對3304工作面順槽底鼓巷道的清底中也?？梢钥吹降装鍘r層折曲后的斷裂面.斷裂面位于巷道中部或中部偏向采空一側(cè)(約30cm處),斷面的高度在25cm左右,斷裂面兩側(cè)的巖層完整性尚好,見圖3.靠巷道壁的底板有時其完整性較好,不易清理,常在側(cè)幫留下清理巖面,見圖4.底板巖層單向抗壓強度的大小直接影響底鼓量的大小:底板巖層的抗壓強度越大,巷道底鼓量越小;底板巖層的抗壓強度越小,巷道的底鼓量越大.3.2.2圍巖應力集中程度三軟煤層老區(qū)煤柱復采沿空掘巷是一類比較特殊的回采巷道,特殊之處在于:臨近工作面開采過程中,老區(qū)煤柱要經(jīng)歷掘進、開采、頂板垮落三次擾動影響,最后在巷道兩側(cè)形成側(cè)向固定支承壓力一般來說煤柱一側(cè)的應力集中程度較大.在本次掘進及開采活動的影響下,沿空巷道兩側(cè)形成的集中應力與原先的應力疊加在兩側(cè)形成較高的支承壓力.而兩側(cè)的煤巖體由于經(jīng)歷多次擾動影響,其穩(wěn)定性、承載能力大大降低,所有這些對于巷道的底鼓防治是極為不利的.另一特殊還在于:兩側(cè)應力集中程度不一樣而導致兩幫底鼓的不對稱性.煤體側(cè)在高支承壓力的作用下,使得底板破碎,受到破壞后的實體煤幫底板巖層向巷道及采空側(cè)大量位移.而采空一側(cè)由于應力較低,無法對底板巖層的位移和鼓起產(chǎn)生較大阻止力,這也是采空側(cè)底板巖層的底鼓比實體煤幫偏大,沿空巷道的底鼓較一般巷道(兩幫皆為實體煤)底鼓大的原因.3.2.3工作面順槽巷道內(nèi)排水效果分析水的作用主要是通過水理作用表現(xiàn)出來的.當水沿底板裂隙侵入后,底板巖層的泥性巖體在水的侵潤作用下,輕則使巖體強度降低,嚴重時使巖體軟化、破碎,完整性受到破壞,抵抗變形的能力大大降低.此外,水還減少了巖層間的粘結(jié)力,從而形成小的滑移面,降低了巖體的抗變形能力,易于產(chǎn)生底鼓.3304工作面順槽巷道水源主要為其上部1#煤層老空區(qū)局部的積水,其對該巷道底鼓的影響不大.3.2.4煤層所處地面標高、底鼓出的速度巷道所在煤層地質(zhì)構(gòu)造簡單,發(fā)育有落差不超過1m的小斷層,對底鼓的影響不大.煤層所處標高在-343.4～-361.1;地面標高為+31～+32.5;煤層埋深370～390m.按自重應力場考慮,對巷道底鼓影響不具有特殊性.3.2.5防止巷道幫鼓而阻止底鼓現(xiàn)有的支護形式為礦用工字鋼梯形棚式支護,棚子與巷道之間用木條作背板背實,棚距700mm,為剛性被動支護.該支護形式不能調(diào)動巖體自有的承載能力,在上覆巖層壓力的作用下,圍巖的整體性受到破壞,巖體的力學性能惡化,頂板巖層得不到及時有效的支撐和保護而發(fā)生離層.離層進一步加大會影響到“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定,從而使支架受力增大,巷道變形增加,底鼓量變大.棚式支護對幫部煤巖體僅提供一個被動的阻力,該阻力只是阻礙幫部的位移.由于幫部煤巖體本身的單向抗壓強度較低,故在側(cè)向應力的作用下,幫部的巖體及煤體卻不斷被擠碎而垮落在巷道內(nèi)測,其實質(zhì)也相當于向兩幫位移,所以從防止巷道幫鼓而阻止底鼓來講,該棚式支護的作用是有限的.3.2.6防止圍巖工傷力巷道掘進為炮掘工藝,放炮的震動作用有可能使圍巖裂隙擴大,所以施工中,可加大炮眼的個數(shù),減少每個炮眼的裝藥量,減輕震動,防止過大的震動對圍巖的擾動.4橡膠基防護測試4.1角形塑料網(wǎng)擬定在原梯形棚式支護的基礎(chǔ)上對底板進行錨網(wǎng)+鋼筋梁支護,支護形式見圖5.錨桿選用長度為2200mm,直徑為22mm的左旋螺紋鋼錨桿,鋼筋梁為直徑為14mm的鋼筋礦自行焊接,寬度60mm,長度為3.5m,網(wǎng)為菱形塑料網(wǎng),寬度為1.1m,搭接長度為100mm,逐扣聯(lián)接;每根錨桿需直徑為23mm、長度為35mm的樹脂藥卷快速和中速各一支,每支錨固力>105KN,底板的初錨力不低于60KN.施工中,先在底板向下做一反拱,中部深度控制在500mm,兩幫控制在200mm,底板錨桿5根,煤體側(cè)的底角錨桿外斜45°,錨桿布置在兩棚腿之間,間距為700mm,梯子梁壓在錨網(wǎng)上,通過錨桿的托盤使其緊貼底板巖面.底板錨網(wǎng)試驗段設(shè)在3304工作面進風巷,三橫貫以里20m處,支護試驗段長20m共28棚.數(shù)據(jù)記錄時間為掘后126d到228d共102d的數(shù)據(jù),之前巷道底鼓量為698.7mm已被清理.4.2頂?shù)装逦灰魄闆r底板反底拱錨網(wǎng)支護試驗對比觀測數(shù)據(jù)見表1.數(shù)據(jù)結(jié)果表明:底板錨網(wǎng)支護使頂?shù)装逡苿涌偭繙p少了48.7%,錨網(wǎng)段的底鼓量僅為42mm,而非錨網(wǎng)段的底鼓量為167mm,錨網(wǎng)段的底鼓占頂?shù)滓平康?6.2%,非錨網(wǎng)段的底鼓量占到頂?shù)装逡平康?3.9%,說明底板錨網(wǎng)對底鼓的控制效果是明顯的,但頂板的下沉量由非錨時的26.8%增到63.8%,兩幫的移近量降低了27.2%.依此試驗,預計底板錨網(wǎng)梁+梯形棚式支護條件下巷道頂?shù)装逡平繛?12mm,底鼓量為258mm,頂板下沉量為454mm.考慮工作面超前移動支承壓力對頂?shù)装逡平挠绊?頂?shù)装宓囊平吭?00mm左右,故單純的底板錨網(wǎng)支護不能保證巷道的正常使用.5底鼓的變形控制1)新莊煤礦三軟煤層老區(qū)復采沿空巷道底板錨網(wǎng)支護對底鼓控制有效,但頂板的下沉量在巷道頂?shù)装逡平恐兴急壤兴龃?這是圍巖能量通過頂板釋放的結(jié)果.試驗提示:頂板、兩幫及底板巖體是一個相互聯(lián)系的有機體,底鼓變形是三者相互作用的結(jié)果.2)對底鼓的變形控制堅持“強頂、固幫、阻底”的整體治理原則.“強幫”即提高幫部的承載能力;